丁寶衛(wèi)，于得洋，盧榮春，邵曹杰，阮芳芳，劉錦鵬，趙永龍，景 龍

（1．蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730000；2．中國科學(xué)院近代物理研究所，甘肅蘭州 730000）

高溫存在于宇宙的諸多區(qū)域，如恒星、活動星系核、超新星的爆炸等。在非常高的溫度條件下，即使重原子的電子也會被部分甚至全部剝離，所以許多物質(zhì)以電離態(tài)的形式存在。但地球上很難找到這種自然的極端條件。為在實驗室中開展相關(guān)的研究，人們發(fā)展了高電荷態(tài)離子源［1］，如電子回旋共振離子源、電子束離子阱以及激光離子源。近年來，高電荷態(tài)離子與多電子原子或分子的碰撞是一非?；钴S的研究領(lǐng)域，這些研究不僅有助于理解復(fù)雜的離子－原子碰撞過程、檢驗相關(guān)的理論模型，且對高溫等離子體［2－3］、天體物理［4］及大氣科學(xué)［5］等領(lǐng)域的研究具有重要意義。

通常，當(dāng)入射離子速度vp遠(yuǎn)小于1個玻爾速度（a．u．）時，即vp《1a．u．時，俘獲是主要過程，以至于其他過程可忽略；而當(dāng)入射離子速度較高（vp》1a．u．）時，電離是主要過程。在這兩個能區(qū)，對高電荷態(tài)離子與原子的碰撞過程研究相對較多［6－16］。為分析高電荷態(tài)離子與原子碰撞中的物理過程，提出了若干個理論模型或經(jīng)驗公式，如經(jīng)典過壘模型［17］、拓展的經(jīng)典過壘模型［18］、分子經(jīng)典過壘模型［19］、Selberg等［9］發(fā)展的半經(jīng)驗公式等。然而，在跨玻爾速度能區(qū)，在某種程度上，俘獲和電離均較重要，不能舍此顧彼，且反應(yīng)道之間還存在較強(qiáng)的耦合，量子力學(xué)處理難度很大。在這一能區(qū)，已有的實驗主要集中于He原子［20－21］，對于較重的靶原子的研究還很缺乏。另外，多電子過程表征了多體動力學(xué)的基礎(chǔ)問題，可用來檢驗當(dāng)前的相關(guān)理論模型，特別是多電子過程中的電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。本文將通過實驗研究跨玻爾速度能區(qū)的Xe23＋離子與Ne原子碰撞中的單電子和多電子過程。

1 實驗

實驗在中國科學(xué)院近代物理研究所電子回旋共振離子源高壓平臺上進(jìn)行，實驗裝置在文獻(xiàn)［21］中已描述。具有一定能量的聚焦Xe23＋離子束與自上而下的氣體靶碰撞，靶室的真空度為10－6Pa量級。碰撞后，不同電荷態(tài)的散射離子在靜電場中具有不同的偏轉(zhuǎn)角，故打在位置靈敏微通道板探測器的不同位置上。反沖離子的初始動能很小，通過電場引出并加速，而后在一無場區(qū)域自由漂移，最后打在反沖離子微通道板探測器上。實驗中，由于反沖離子探測器的電壓較高，達(dá)3kV，所以對不同電荷態(tài)的反沖離子的探測效率近似相同。反沖離子的飛行時間與離子的質(zhì)荷比（m／q）有關(guān)，不同電荷態(tài)的反沖離子到達(dá)探測器的飛行時間不同。據(jù)此，通過離子的飛行時間，可區(qū)分它們的電荷態(tài)。最后，將飛行時間譜與位置譜關(guān)聯(lián)，就得到位置－時間二維譜。該二維譜展現(xiàn)了不同反應(yīng)道的符合計數(shù)。圖1示出了21keV／u的Xe23＋與Ne原子碰撞的反沖離子飛行時間譜和符合二維譜。

圖1 Xe23＋與Ne原子碰撞的飛行時間譜（a）和符合二維譜（b）

實驗的入射離子速度vp為0．65～1．32a．u．，碰撞過程可簡單描述為：

其中：j為入射離子俘獲的電子數(shù)；k為反沖離子的電荷態(tài)，k＝1、2、3、4、5。伴隨j個電子俘獲的k重電子丟失截面為。通過二維譜可得到k電子與單電子過程的截面比σk／σ1為：

σk／σ1＝N0k／N01

（2）

其中，N0k和N01分別為Nek＋和Ne＋離子的計數(shù)。同樣，截面比／σk為：

（3）

實驗誤差主要來自反沖離子的探測效率（＜10%）、多次碰撞（＜3%）、數(shù)據(jù)處理二維譜時的計數(shù)區(qū)域選?。ǎ?0%）以及統(tǒng)計誤差（5%）。詳細(xì)的誤差分析可參考文獻(xiàn)［21－23］。

2 分析與討論

測量0．65～1．32a．u．速度范圍的Xe23＋與Ne原子碰撞的各反應(yīng)道的相對截面。圖2示出了截面比σ2／σ1、σ3／σ1、σ4／σ1和σ5／σ1對入射離子速度的依賴關(guān)系。從圖2可看出，隨著速度的增加，這些比值并無明顯的變化，即入射離子速度對各截面σk（k＝1、2、3、4、5）的影響幾乎等同。這與較低能區(qū)的實驗結(jié)果相似，原因可能是入射離子的強(qiáng)庫侖勢的作用的結(jié)果。截面比σ2／σ1、σ3／σ1、σ4／σ1及σ5／σ1分別約為0．4、0．2、0．13和0．1，顯然單電子過程占絕對優(yōu)勢，其次是雙電子過程，而三電子、四電子及五電子過程的總截面約等于雙電子過程截面。文獻(xiàn)［7］提出用轉(zhuǎn)移激發(fā)機(jī)制描述雙電子過程，兩個靶電子轉(zhuǎn)移到入射離子激發(fā)態(tài)，隨后，靠近內(nèi)殼層的電子被重新俘獲到靶的激發(fā)態(tài)，這個過程貢獻(xiàn)于單電子過程。轉(zhuǎn)移激發(fā)機(jī)制對于He原子有效，但不適用于較重的靶原子。

該能區(qū)高電荷態(tài)離子與原子碰撞中，由于直接電離是一很弱的反應(yīng)道，所以，可用拓展的經(jīng)典過壘（ECB）模型［7，21］描述靶電子的丟失。在該模型中，當(dāng)離子與靶原子之間的勢壘等于或低于束縛靶電子的Stark能時，這個電子將逃離靶原子。據(jù)此，第k個電子逃離的臨界核間距為：

其中，Ik為第k個靶電子的電離勢，eV。k個電子逃離的截面近似為：

Selberg等［9］采用一半經(jīng)驗公式，描述k個靶電子逃離的絕對截面，即：

式中：Ik／Ii為第k個電子與第i個電子的電離能之比；N為外殼層電子數(shù)；q為入射離子的電荷態(tài)。將實驗結(jié)果與這兩種模型的計算結(jié)果對比，結(jié)果如圖2所示。式（6）對截面比σ2／σ1和σ3／σ1估計過高，而過壘模型的結(jié)果與σ4／σ1和σ5／σ1更為接近。

圖2 σk／σ1與入射離子速度的關(guān)系

通過二維譜，可根據(jù)下式計算獲得反沖離子電荷態(tài)分支比fk：

Selberg等［9］給出了相應(yīng)的經(jīng)驗公式：

相對截面的測量結(jié)果如圖4所示。單電子過程幾乎被單電子俘獲過程完全占據(jù)。在雙電子過程中，≈0．8，說明單電子俘獲伴隨單電離過程（轉(zhuǎn)移電離）是最重要的反應(yīng)道，而雙電子俘獲過程在雙電子過程中的比重很小。由于在該能區(qū)直接電離反應(yīng)道相對很弱，所以轉(zhuǎn)移電離主要來自伴隨雙俘獲的自電離過程。這個過程中，兩個靶電子轉(zhuǎn)移到入射離子的激發(fā)態(tài)，通過輻射退激和自電離衰變，即前者貢獻(xiàn)于真的雙俘獲（TDC）過程，而后者則貢獻(xiàn)于自電離雙俘獲（ADC）過程，這些物理過程可用下式描述：

圖3 fk與k的依賴關(guān)系

從實驗結(jié)果可看出，ADC應(yīng)是轉(zhuǎn)移電離過程中的重要機(jī)制。同樣，對于更多電子參與的過程（如三電子、四電子、五電子過程），主要的過程不是純俘獲過程，而是伴隨俘獲的電離過程，如及等。散射離子最后的電荷態(tài)取決于多激發(fā)態(tài)的入射離子不同的退激通道，可用下式描述：

（11）

另外，Ali等［6］認(rèn)為多電子靶（k≥3）的激發(fā)機(jī)制對多電子過程也有重要作用，對于本文所研究的碰撞系統(tǒng)，多電子過程用下式描述更好：

（12）

最后，還需說明，隨著碰撞速度的增加，純電離截面并未如所期望的有一顯著增加，而是表現(xiàn)出對速度的獨(dú)立性。造成這種現(xiàn)象的原因，除實驗誤差（反應(yīng)道弱，偶然符合的影響大）外，可能還存在深層次的物理原因，這值得進(jìn)一步研究。

圖4 Pkj與入射離子速度的關(guān)系

3 結(jié)論

測量了0．65～1．32a．u．速度范圍的Xe23＋離子與Ne原子碰撞的單電子和多電子過程的相對截面。在所研究的能區(qū)，相對截面對入射離子速度依賴性很弱。單電子過程是最主要的反應(yīng)道，它幾乎被單電子俘獲過程完全占據(jù)。而對多電子過程的主要貢獻(xiàn)不是來自純俘獲過程，而是來源于伴隨多電子俘獲的電子發(fā)射。

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